一种基于代理模型的管道式离心分离器离散颗粒轨迹预测方法

技术领域

本发明涉及的是一种两相分离方法，具体地说是离散颗粒运动轨迹预测方法。

背景技术

管道式离心分离器利用布置在管道中的导流叶轮产生旋流，可以直接布置在流动管线中，与常见的离心分离设备——水力旋流器等相比，结构更加紧凑、压力损失更小，近年来成功被应用于气液分离、液液分离当中，在两相分离中具有广阔的应用前景。由于离心分离器的分离性能对流体参数具有很强的敏感性，一旦流体物性发生改变，分离效率可能就会剧烈变化，原有的分离器结构就不再适用。因此，有必要提出一种通用的、普适的计算方法，用于评价不同分离介质下分离器的适用性，扩展该管道式离心分离器在两相分离中的应用。

离散颗粒在连续相中的运动轨迹，决定了分离器的分离性能，根据分离器的工作原理可知，如果离散颗粒能够快速聚集到管道中心，那么就能够从引出口排出，实现较高的分离效率，如果离散颗粒受到的离心力不足，无法运动到管道中心，此时就无法被分离。

发明内容

本发明的目的在于提供准确快速预测离散颗粒在管道式离心分离器中运动轨迹的一种基于代理模型的管道式离心分离器离散颗粒轨迹预测方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于代理模型的管道式离心分离器离散颗粒轨迹预测方法，其特征是：

(1)采用拉丁超立方试验设计方法，规划管道式离心分离器结构参数与流场分布试验矩阵；

(2)输入分离器的几何参数，利用CFD求解计算分离器内部流场，获得流场计算关系式中的特征参数，并根据仿真实验数据得到各个结构参数与流场特征参数之间的对应矩阵；

(3)根据步骤(2)中的实验数据，进行输入量的敏感性分析，剔除不敏感变量，进而选择建模技术，对关键输入参数与响应值构建代理模型；

(4)在结构参数与流场特征参数矩阵中随机抽取数据，将代理模型结果与试验数据进行对比，若满足要求，则该代理模型满足要求；

(5)构建旋流场离散颗粒受力模型，考虑径向压力梯度引起的离心力、离散相颗粒与连续相之间相对运动产生的拖曳力、连续相对其的浮力、运动颗粒旋转引起的马格努斯力、速度梯度引起的萨夫曼力和虚拟质量力，建立轴向、径向、切向的力平衡方程；

(6)采用欧拉法建立离散颗粒瞬态的运动轨道方程，并耦合求解流场计算模型和颗粒受力模型，得到离散颗粒运动预测模型。

本发明还可以包括：

1、柱坐标系(r，θ，z)的纳维-斯托克斯方程如下

方程简化为：

根据上述方程，获得切向速度u

进一步推导，得轴向速度u

l＝-RS

同时，轴向速度满足质量守恒定律，

其中，W

采用拉丁超立方规划试验点，再利用CFD对这些试验点进行计算得到不同结构参数下的分离器流场，进而获得响应值W

对于旋流场中的离散颗粒，受到的力包括压力梯度引起的离心力Fc、离散相颗粒与连续相之间相对运动产生的拖曳力Fd、连续相对其的浮力Fg、运动颗粒旋转引起的马格努斯力Fm、速度梯度引起的萨夫曼力Fs和虚拟质量力Fa等，离散颗粒在旋流场的运动满足如下平衡关系式：

式中，ρ

将离散颗粒受力模型与采用代理模型建立的流场模型耦合，进一步采用欧拉法建立柱坐标系下的颗粒轨道方程，最终得到能够预测不同结构参数、不同物性参数下的离散颗粒运动轨迹：

本发明的优势在于：

1、能够获得不同叶轮结构参数、不同流速下分离器内各个位置处连续相以及离散颗粒的速度；

2、通过计算模型中内嵌的离散颗粒受力模型，能够获得离散颗粒在运动过程中受到的各个力的大小和变化情况；

3、能够预测不同物性参数、不同结构参数和不同流动参数条件下，离散颗粒在分离器内的运动轨迹，从而为管道式离心分离器的结构设计和应用提供指导。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为代理模型的搭建过程；

图3为离散颗粒的运动轨迹预测结果。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，本发明一种基于代理模型的管道式离心分离器离散颗粒轨迹预测方法，包括如图1所示的三部分：

一、分离器内流场计算模型

(1)采用拉丁超立方试验设计方法，规划管道式离心分离器结构参数与流场分布试验矩阵；

(2)输入分离器的几何参数，利用CFD求解计算分离器内部流场，获得流场计算关系式中的特征参数，并根据大量仿真实验数据得到各个结构参数与流场特征参数之间的对应矩阵；

(3)根据(2)中的试验数据，进行输入量的敏感性分析，剔除不敏感变量，进而选择合适的建模技术，对关键输入参数与响应值构建代理模型；

(4)在结构参数与流场特征参数矩阵中随机抽取若干组数据，将代理模型结果与试验数据进行对比，若满足要求，则认为该代理模型满足要求；

二、离散颗粒受力模型

构建旋流场离散颗粒受力模型，考虑径向压力梯度引起的离心力、离散相颗粒与连续相之间相对运动产生的拖曳力、连续相对其的浮力、运动颗粒旋转引起的马格努斯力、速度梯度引起的萨夫曼力和虚拟质量力等，建立轴向、径向、切向的力平衡方程；

三、离散颗粒运动轨迹预测模型

采用欧拉法建立离散颗粒瞬态的运动轨道方程，并耦合求解流场计算模型和颗粒受力模型，得到离散颗粒运动预测模型。

具体实施例：

柱坐标系(r，θ，z)的纳维-斯托克斯方程如下

考虑到在稳定的旋流场中，流场具有对称性，并且径向速度往往被忽略不计，同时在径向上的速度梯度显著大于轴向的速度梯度，方程可以简化为：

根据上述方程，可获得切向速度u

进一步推导，可得轴向速度u

l＝-RS (9)

同时，轴向速度满足质量守恒定律，

其中，W

为了建立不同结构参数下的分离器流场计算模型，采用图2所示的建模方法，管道式离心分离器的主要结构参数包括叶片出口角度、叶片扭转角度、叶片厚度、叶片数目、中轴直径等。由于数据库的计算量较为庞大，首先采用拉丁超立方规划试验点，再利用CFD对这些试验点进行计算得到不同结构参数下的分离器流场，进而获得响应值W

对于旋流场中的离散颗粒，受到的力主要有压力梯度引起的离心力Fc、离散相颗粒与连续相之间相对运动产生的拖曳力Fd、连续相对其的浮力Fg、运动颗粒旋转引起的马格努斯力Fm、速度梯度引起的萨夫曼力Fs和虚拟质量力Fa等。因此，离散颗粒在旋流场的运动满足如下平衡关系式：

式中，ρ

将离散颗粒受力模型与采用代理模型建立的流场模型耦合，进一步采用欧拉法建立柱坐标系下的颗粒轨道方程，最终得到能够预测不同结构参数、不同物性参数下的离散颗粒运动轨迹。

图3所示的是采用上述方法获得的离散颗粒运动轨迹。